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《湖南大学》 2018年
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城市污泥(水)热处理固体产物中磷的迁移转化及释放回收研究

王涛  
【摘要】:磷是自然界中难以再生的营养元素,在人类生活中有着不可替代的作用。污泥接收了废水中的大部分磷,被认为是目前最大的含磷二次资源。因此,为了应对磷资源的日益匮乏,从污泥中回收利用磷的研究成为热点。本课题针对城市污水处理厂剩余污泥中的磷元素,开展了以下几个方面的研究内容。首先探讨了水热碳化(HTC)不同pH环境下污泥中磷的迁移与转化规律。实验设置了3个水热温度,分别为200℃、230℃和260℃,并在3个水热温度下设置了5个原水pH值,分别为3,5,7,9和11。通过SMT(standards,measurements,and testing protocol)方法测定了污泥及产生的水热炭中磷的形态与含量,并且通过扫描电镜(scanning electron microscope,即SEM)、能谱(Energy Dispersive Spectrometer,即EDS)以及X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)等表征手段验证并完善了不同形态磷之间的转化机制。污泥水热碳化实验结果表明:水热碳化过程会将污泥大部分磷富集于水热炭中。经过水热碳化处理,污泥中有机磷(OP)基本转化为无机磷(IP),部分非磷灰石态无机磷(NAIP)转化为磷灰石态磷(AP)。pH环境会对水热炭中磷形态和含量产生明显的影响。酸性环境在减少总磷(TP)、OP和AP含量的同时,也会相应增加IP和NAIP的含量。而碱性环境条件下会产生更多的TP、OP和AP,更少的IP和NAIP。不同pH条件下各种形态磷的转化归功于不同形态磷和Ca、Al以及Fe等元素的结合。酸性环境下会促使磷酸钙分解,部分释放的磷酸根会与水溶液中的Fe~(3+)、Al~(3+)生成难溶性的磷酸盐;碱性环境下,OH~-会迫使磷酸铁、磷酸铝释放出磷酸根离子,从而与经过阳离子交换反应的Ca~(2+)形成表面络合物。其次,以260℃条件下产生的水热炭和600℃条件下产生的热解炭为原料,通过单因素酸解法,研究了不同酸解条件(不同酸类型、不同酸浓度、不同停留时间、不同固液比)对水热炭和热解炭磷释放的影响,并且利用X射线荧光光谱(X Ray Fluorescence,XRF)和XRD图谱分析酸解前的焦炭(水热炭、热解炭)及酸解后对应的固态残渣的元素组成和矿物质成分。单因素酸解实验结果表明:不管是水热炭还是热解炭,四种酸处理下的焦炭磷释放率大小关系为:草酸硫酸盐酸硝酸。在一定范围内,酸浓度、酸解时间、固液比的增加会增大焦炭磷释放率。对于本实验的污泥,在最佳磷释放酸解条件下(反应温度80℃,固液比为1:50,焦炭(水热炭、热解炭)在1 mol·L~(-1)草酸溶液中酸解时间60min),水热炭和热解炭分别释放了93.6%和97.3%的磷到上清液中。接着,采用羟基磷酸钙(Ca_5(PO_4)_3OH,即HAP)法研究了溶液起始pH和钙磷比对最佳酸解条件上清液中磷回收的影响,并通过SEM和XRF对回收的沉淀进行形态与组成的分析。HAP回收磷实验结果表明:溶液初始pH为8,钙磷比为1.6时,水热炭和热解炭的正磷酸盐(Pi)沉淀率分别达到94.4%和96.4%,TP沉淀率分别达到90.3%和93.4%。考虑到第三章的TP释放率93.6%和97.3%,得出污泥经过两种一系列处理方法后TP回收率分别为84.5%和90.9%。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X703

【参考文献】
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